Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου

Στις αρχές του 19ου αιώνα, άρχισε να αναπτύσσεται η σύγχρονη ατομική θεωρία, η οποία είναι μια προσπάθεια περιγραφής της δομής της ύλης. Σύμφωνα μ’ αυτήν, όλα τα υλικά σώματα αποτελούνται από μικροσκοπικά σωματίδια που ονομάζονται άτομα.

Από τα μέσα του 19ου και μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα, σύμφωνα από πολλά πειραματικά δεδομένα ανακαλύφτηκε ότι το άτομο αποτελείται από άλλα απλούστερα σωματίδια. Το 1897 ο Άγγλος Τόμσον ανακάλυψε ότι τα άτομα όλων των υλικών περιέχουν κάποια πολύ μικρά αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που τα ονόμασε ηλεκτρόνια. Το 1911 έπειτα από εκτεταμένα πειράματα, ο Νεοζηλανδός Ερνέστ Ράδερφορντ ανακάλυψε ότι, στο κέντρο του κάθε ατόμου υπάρχει ένα θετικά φορτισμένο σώμα που συγκεντρώνει σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου και το ονόμασε πυρήνα. Έπειτα ο Δανός Νιλς Μπορ μετά την επίπονη πειραματική διαδικασία που προηγήθηκε κατέληξε στην περιγραφή του ατόμου μέσω ενός προτύπου, σύμφωνα με το οποίο:

Το πλανητικό πρότυπο του ατόμου

1] Κάθε άτομο αποτελείται στο κέντρο του από τον πυρήνα, ο οποίος έχει θετικό φορτίο που συγκεντρώνει το μεγαλύτερο ποσοστό της μάζας του ατόμου και τα ηλεκτρόνια που έχουν αρνητικό φορτίο τα οποία περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα.
2] Όλα τα ηλεκτρόνια έχουν την ίδια μάζα και το ίδιο φορτίο και δεν μπορούμε να τα διακρίνουμε μεταξύ τους, δηλαδή είναι όμοια μεταξύ τους.
3] Οι πυρήνες είναι σύνθετα σωματίδια και αποτελούνται από τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Αν και το πρωτόνιο και το νετρόνιο έχουν σχεδόν ίσες μάζες, το πρωτόνιο είναι θετικά φορτισμένο ενώ το νετρόνιο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, δηλαδή δεν φέρει ηλεκτρικό φορτίο. Όλα τα πρωτόνια έχουν την ίδια μάζα και ίδιο φορτίο, δηλαδή είναι πανομοιότυπα.
4] Το πρωτόνιο έχει θετικό φορτίο ίσο με +1,6·10-19C , ενώ το ηλεκτρόνιο 1,6·1019C , δηλαδή το φορτίο του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου είναι αντίθετα φορτία, αλλά με την ίδια απόλυτη τιμή. Τα φορτία του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου είναι τα πιο μικρά φορτία που έχουν παρατηρηθεί στη φύση.
5] Σε κάθε άτομο, ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι με τον αριθμό των ηλεκτρονίων του, συνεπώς το ολικό φορτίο του ατόμου είναι μηδέν, δηλαδή το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκρατούνται ενωμένα με πυρηνικές δυνάμεις και αποτελούν τον πυρήνα του ατόμου. Έτσι τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι αδύνατο να αποσπαστούν και να απομακρυνθούν από το άτομο, σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια, όπου το άτομο είναι δυνατόν να αποβάλει ένα ή δυο ηλεκτρόνια και έτσι παύει να είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και μετατρέπεται σε ιόν.

Πως τα σώματα αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο

Όπως γνωρίζουμε, τα άτομα που αποτελούνται τα σώματα, είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και έτσι καταλαβαίνουμε ότι το ίδιο το σώμα να είναι ουδέτερο. Είναι όμως δυνατόν το σώμα να προσλάβει ή να αποβάλει ηλεκτρόνια και έτσι να αποκτήσει ηλεκτρικό φορτίο. Όταν το άτομο αποβάλει (ένα ή δυο) ηλεκτρόνια, τότε υπερισχύει το θετικό φορτίο των πρωτονίων και το άτομο φορτίζεται θετικά. Τα ηλεκτρόνια που αποβάλει το άτομο πηγαίνουν σε ένα άλλο σώμα. Έτσι σε αυτό το σώμα δημιουργείται περίσσευμα ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων να υπερισχύει από το θετικό φορτίο των πρωτονίων και με αυτό το τρόπο το σώμα αποκτά αρνητικό φορτίο. Δηλαδή:

Η φόρτιση των σωμάτων γίνεται με μεταφορά ηλεκτρονίων. Έτσι το σώμα που αποβάλλει ηλεκτρόνια αποκτά θετικό φορτίο ενώ το σώμα που προσλαμβάνει τα ηλεκτρόνια αποκτά αρνητικό φορτίο.

Επειδή τα πρωτόνια δεν μπορούν να μετακινηθούν, επειδή έχουν μεγάλη μάζα και επειδή βρίσκονται παγιδευμένα στο εσωτερικό των ατόμων (πυρήνας), η φόρτιση των σωμάτων γίνεται αποκλειστικά με μετακίνηση ηλεκτρονίων. Επειδή ο πυρήνας του ατόμου ασκεί ελκτικές δυνάμεις στα ηλεκτρόνια, για να αποσπαστεί κάποιο ηλεκτρόνιο από το άτομο, πρέπει να απορροφήσει ενέργεια, για να υπερνικήσει την έλξη του πυρήνα. Η προσφορά ενέργειας μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους, όπως για παράδειγμα με τριβή, με την επίδραση της ακτινοβολίας κ.τ.λ.

Επειδή η δομή του ατόμου είναι όπως περιγράψαμε παραπάνω και έτσι το άτομο να αποτελείται από δυο είδη ηλεκτρικού φορτίου πρωτόνια και ηλεκτρόνια, γι’ αυτό στη φύση υπάρχουν μόνο δυο είδη ηλεκτρικού φορτίου, τα θετικά και τα αρνητικά φορτία.

Δυο σημαντικές ιδιότητες του ηλεκτρικού φορτίου

Όπως είπαμε, η φόρτιση των σωμάτων γίνεται με μετακίνηση ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια ούτε παράγονται εκ του μηδενός ούτε καταστρέφονται, απλά μεταφέρονται. Έτσι σε μια διαδικασία, όσα ηλεκτρόνια χάνει ένα σώμα τόσα παίρνει κάποιο άλλο σώμα. Επομένως ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων παραμένει σταθερός. Αυτή η διατύπωση αποτελεί την αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου.

Σε μια οποιαδήποτε διαδικασία η οποία συμβαίνει στο μικρόκοσμο ή στο μακρόκοσμο, ο συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων ενός απομονωμένου συστήματος σωμάτων, δεν μεταβάλλεται, με αποτέλεσμα το ολικό φορτίο του συστήματος σωμάτων να διατηρείται σταθερός.

Όπως είπαμε, ένα φορτισμένο σώμα έχει πλεόνασμα ή έλλειψη ηλεκτρονίων. Επειδή το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να διαιρεθεί, το ηλεκτρικό φορτίο ενός σώματος είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του στοιχειώδους αρνητικού φορτίου του ηλεκτρονίου ή του αντίθετου θετικού φορτίου του πρωτονίου. Συνεπώς το ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζεται σε “πακετάκια” τα οποία ονομάζονται κβάντα και αυτή την ιδιότητα του φορτίου ονομάζεται κβάντωση.